Lưu trữ thông tin lượng tử bằng nguyên tử siêu lạnh

Các nhà khoa học ở Mỹ vừa trình diễn một thí nghiệm mới về “đóng mở ánh sáng” (light-switch) trong sợi quang học có thể sẽ trở thành một công cụ mới trong công nghiệp viễn thông và liên lạc. Linh kiện được tạo ra bởi Michal Bajcsy (Đại học Harvard, Hoa Kỳ) cùng các cộng sự, có thể phát triển để chia sẻ thông tin theo cả hai cách là cổ điển và lượng tử (Phys. Rev. Lett. 102, 203902).

Các hệ thống thông tin lượng tử có thể đem lại một cuộc cách mạng chia sẻ thông tin dữ liệu toàn cầu bằng cách mã hóa, xử lý và truyền thông tin bằng việc sử dụng các tính chất cơ học lượng tử. Tuy nhiên, do một chuỗi “1s” và “0s” được đại diện bởi các trạng thái lượng tử của các hạt hạ nguyên tử riêng lẻ, ví dụ như phân cực của photon, chúng lại trở thành quá tinh vi và dễ dàng bị mất thông tin. Linh kiện lượng tử thử nghiệm đầu tiên được phát triển nhưng nếu đi đến thành ứng dụng thương mại thì lại đòi hỏi các hệ thống quá lằng nhằng để cạnh tranh với các công nghệ cổ điển đang được sử dụng.

Một cách tiếp cận phổ biển là truyền các trạng thái lượng tử của các photon thông qua tương tác với vật chất, thứ mà sẽ hoạt động như các phần tử trung gian. Ở đây, photon với các trạng thái riêng rẽ được hấp thụ bởi một nguyên tử trước khi được phát xạ trở lại trong cùng trạng thái hoặc trạng thái liên quan. Nhưng một khó khăn lại nảy sinh, khi cố gắng truyền đi các thông tin trong một khoảng cách đáng kể, do các photon bị tán xạ sẽ tạo ra sự mất mát tín hiệu khá lớn. 

Hình 1. Mô hình của thí nghiệm: các nguyên tử siêu lạnh Rubidium được giam cầm trong một lõi sợi tinh thể photonic bằng một bẫy lưỡng cực hoạt đồng bằng từ trường (Credit: Alan Stonebraker).

Trong một số năm qua, một vài nhóm nghiên cứu đã đề xuất một cách xung quanh vấn đề này bằng cách truyền đi các photon qua một sợi quang rỗng được lấp đầy bởi hơi các nguyên tử. Trạng thái của nguyên tử thay đổi bằng cách tương tác với các photon khiến cho cho sợi quang  trở nên trong suốt, hoặc trở nên mờ đục với ánh sáng – tức là một khóa quang học. Tuy nhiên, khi đưa vào một tỉ lệ nhỏ các nguyên tử trong không gian trống rỗng, một số lượng lớn các photon trên thực tế không bao giờ tiếp xúc với các nguyên tử và vấn đề mất mát vẫn xảy ra. Bajcsy cùng các cộng sự đã tìm ra một giải pháp cho vấn đề này là thay thế hơi bằng các nguyên tử rubidium siêu lạnh.

Bằng cách giữ lại các nguyên tử trong một cấu hình vững chắc bằng từ trường (gọi là “bẫy lưỡng cực – dipole trap”), họ có thể hướng các xung photon vào các nguyên tử với một xác suất tăng cường sự va chạm lớn các đích. Ban đầu, sợi quang hầu như là trong suốt để cho ánh sáng truyền qua do không có nguyên tử nào ở đó. Tiếp đó, sau khi đóng xung chỉ chứa có 800 photon đã được bơm vào sợi quang, các nguyên tử đã hấp thụ các photon đó và hệ thống trở nên hoàn toàn mờ đục. 

Hình 2. Kết quả thí nghiệm: a) Hệ bốn mức cho quá trình đóng mở phi tuyến, b) Các xung truyền, c) Độ truyền qua của xung trong sợi quang khi có mặt (xanh), và không có mặt (đỏ) trường đóng mở, d) Độ truyền qua như một hàm của số photon, e) Số photon ghi nhận được như một hàm logic của sự có mặt (1) và không có mặt (0) của đầu dò và xung đóng mở (Phys. Rev. Lett. 102, 203902).

“Thử thách ở đây là việc tích hợp công nghệ nguyên tử siêu lạnh được phát triển trong vòng 20 năm qua vào một sợi quang rỗng trong cùng một hệ thí nghiệm” – Bajcsy phát biểu trên Physicsworld. Thí nghiệm đã được tiến hành ở Trung tâm MIT-Harvard về các nguyên tử siêu lạnh (MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms), trong một nghiên cứu hợp tác giữa các nhóm nghiên cứu của Mikhail Lukin và Vladan Vuletic. Để bắt đầu thí nghiệm, một đám mây các nguyên tử rubidium siêu nguội lạnh được cầm tù bằng chùm laser trước khi được hướng vào trong sợi quang bằng từ trường.

“Dồn các nguyên tử luôn là khá rắc rối và thường thì phần khó nhất thì lại chỉ đơn giản là làm sao biết được các nguyên tử ở đâu” – theo lời của Andrew Dawes, một nhà nghiên cứu về các nguyên tử siêu lạnh ở Đại học Pacific, Oregon.Bajcsy cùng với nhóm của ông đang tiếp tục phát triển nghiên cứu này với việc tổ hợp hệ các nguyên tử lạnh của họ với kỹ thuật dừng xung ánh sáng, để tiến tới việc lưu trữ và truyền dữ liệu lượng tử.

Có thể xem các kết quả nghiên cứu trên bài báo vừa đăng trên tạp chí Physical Review Letters.